Лабораторная работа №19 изучение основных закономерностей внутреннего фотоэффекта

Цель работы: изучение элементов зонной теории, устройства и основных характеристик полупроводникового фотоэлемента и фотосопротивления.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, осветитель, полупроводниковый фотоэлемент, фотосопротивление типа ФСД-Г12, мультиметр типа MY-62, набор светофильтров, соединительные провода, адаптер «Электроника Д2-37», линейка.

Теоретическое обоснование

Все твердые тела по электропроводности делятся на проводники, полупроводники и изоляторы. Благодаря ряду уникальных свойств особый интерес представляют полупроводниковые материалы. К таким свойствам полупроводника относится уменьшение его сопротивления с увеличением температуры, освещенности.

К полупроводникам относятся: селен, германий, кремний, теллур, а также ряд окислов, сульфидов и карбидов.

Свойства полупроводника можно объяснить, исходя из зонной теории твердого тела.

Энергия валентных электронов в кристалле изменяется квазинепрерывно. Это означает, что спектр разрешенных значений энергии состоит из множества близкорасположенных дискретных уровней. В действительности валентные электроны в кри­сталле движутся не вполне свободно – на них действует периоди­ческое поле решетки. Это обстоятельство приводит к тому, что спектр возможных значений энергии валентных электронов распа­дается на ряд чередующихся разрешенных и запрещенных зон (рис. 19.1). В пределах разрешенных зон энергия изменяется квази­непрерывно. Значения энергии, принадлежащие запрещенным зо­нам, не могут реализоваться.

Чтобы понять происхождение зон, рассмотрим воображаемый процесс объединения атомов в кристалл. Пусть первоначально имеется N изолированных атомов какого-либо вещества. Пока атомы изолированы друг от друга, они имеют полностью совпа­дающие схемы энергетических уровней. Заполнение уровней элек­тронами осуществляется в каждом атоме независимо от заполне­ния аналогичных уровней в других атомах. По мере сближения атомов между ними возникает все усиливающееся взаимодействие, которое приводит к изменению положения уровней. Вместо одного одинакового для всех N атомов уровня возникают N очень близ­ких, но не совпадающих уровней. Таким образом, каждый уровень изолированного атома расщепляется в кристалле на N густо рас­положенных уровней, образующих полосу или зону.

Величина расщепления для разных уровней не одинакова. Силь­нее возмущаются уровни, заполненные в атоме внешними электро­нами. Уровни, заполненные внутренними электронами, возмуща­ются мало.

Рис. 19.1.

Итак, спектр возможных значений энергии валентных электро­нов в кристалле распадается на ряд разрешенных и запрещенных зон. Ширина зон не зависит от размеров кристалла. Таким обра­зом, чем больше атомов содержит кристалл, тем теснее распола­гаются уровни в зоне. Ширина разрешенных зон имеет величину порядка нескольких электронвольт. Следовательно, если кристалл содержит 10²³ атомов/см³, расстояние между соседними уровнями в зоне составляет ~10^-23 эВ.

На любом разрешенном уровне могут находиться два электрона, обладающие противоположными спинами, эти электроны находятся в различных квантовых состояниях.

Существование энергетических зон позволяет объяснить с еди­ной точки зрения существование металлов, полупроводников и диэлектриков.

Рис. 19.2.

Разрешенную зону, возникшую из того уровня, на котором находятся валентные электроны в основном состоянии атома, мы будем называть валентной зоной. При абсолютном нуле температуры валентные электроны заполняют попарно нижние уровни валент­ной зоны. Более высокие разрешенные зоны будут от электронов свободны. В зависимости от степени заполнения валентной зоны электронами и ширины запрещенной зоны возможны три случая, изображенные на рис. 19.2.

В случае а) электроны заполняют ва­лентную зону не полностью. Поэтому достаточно сообщить электро­нам, находящимся на верхних уровнях, совсем небольшую энер­гию (~10^-2310^-22 эВ) для того, чтобы перевести их на более высокие уровни. Энергия теплового движения (kT) составляет при температуре 1К величину порядка 10^-4эВ. Следовательно, при температурах, отличных от абсолютного нуля, часть электронов переводится на более высокие уровни. Дополнительная энергия, вызванная дей­ствием на электрон электрического поля, также оказывается доста­точной для перевода электрона на более высокие уровни. Поэтому электроны могут ускоряться электрическим полем и приобретать дополнительную скорость в направлении, противоположном на­правлению поля. Таким образом, кристалл с подобной схемой энергетических уровней будет представлять собою металл.

Частичное заполнение валентной зоны (в случае металла ее называют также зоной проводимости) наблюдается в тех случаях, когда на последнем занятом уровне в атоме находится только один электрон или когда имеет место перекрывание зон. В первом случае N электронов про­водимости заполняют попарно только половину уровней валентной зоны. Во втором случае число уровней в зоне проводимости будет больше N, так что, даже если количество электронов проводимости равно 2N, они не смогут занять все уровни зоны.

В случаях б) и в) (см. рис. 19.2) уровни валентной зоны полностью заняты электронами — зона заполнена. Для того, чтобы увеличить энергию электрона, необходимо сообщить ему количество энергии, не меньшее, чем ширина запрещенной зоны Е. Электрическое поле (во всяком случае такой напряженности, при которой не происходит электрический пробой кристалла) сообщить электрону такую энергию не в состоянии. При этих условия электрические свойства кристалла определяются шириной запрещенной зоны Е. Если эта ширина невелика (порядка нескольких десятых электронвольта), энергия теплового движения оказывается достаточной для того, чтобы перевести часть электронов в верхнюю свободную зону. Эти электроны будут находиться в условиях, аналогичных тем, в которых находятся валентные электроны в металле. Свободная зона окажется для них зоной проводимости. Одновременно станет возможным переход электронов валентной зоны на ее освободившиеся верхние уровни. Такое вещество называется электронным полупроводником.

Если ширина запрещенной зоны Е велика (порядка нескольких электронвольт), тепловое движение не сможет перевести в свободную зону заметное число электронов. В этом случае кристалл является диэлектриком.

Если ширина запрещенной зоны Е не очень велика, то дополнительная энергия может быть сообщена за счет световой энергии. При поглощении световой энергии некоторые электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости и под действием электрического поля начинают в ней перемещаться, обусловливая возникновение электрического тока. В валентной же зоне образуются вакантные состояния, получившие название дырок. Во внешнем электрическом поле на освободившееся от электрона место – дырку – может пере­меститься электрон с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, откуда ушел электрон, и т. д. Такой процесс заполнения дырок электронами равносилен перемещению дырки в направлении, про­тивоположном движению электрона, так, как если бы дырка обладала положитель­ным зарядом, равным по величине заряду электрона.

Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов в зоне проводимости, называется “электронной проводимостью”. Дырочная проводимость обусловлена движением дырок в валентной зоне. В чистом полупроводнике одновременно существуют электронная и дырочная проводимость. Их называют собственной проводимостью полупроводников.

При введении в кристаллическую решетку полупроводника атомов примеси образуются дополнительные энергетические уровни. Если заполненные электронами энергетические уровни примеси располагаются вблизи зоны проводимости, то из них электроны легко могут переходить в зону проводимости, обусловливая электронную проводимость или так называемую “n” – проводимость полупроводника. Такой полупроводник получил название полупроводника n – типа, а дополнительные уровни – донорных уровней (рис. 19.3а). Если же незаполненные электронами уровни примеси располагаются вблизи валентной зоны, то электроны из валентной зоны легко переходят на эти уровни. В валентной зоне образуются дырки, которые обусловливают дырочную проводимость или проводимость р – типа. Такой примесный полупроводник называют полупроводником р – типа, а дополнительные уровни примеси – акцепторными уровнями (рис. 19.3б).

Рис. 19.3.

При соединении двух полупроводников с n и р – проводимостью в месте контакта образуется тонкий запирающий слой толщиной 10^–3 – 10^–5 см. Этот слой обладает односторонней проводимостью. При отсутствии внешнего электрического поля он свободно пропускает электроны из р – полупроводника в n – полупроводник. Дырки беспрепятственно проходят в обратном направлении. При наличии внешнего поля сила тока очень сильно зависит от направления этого поля, то есть p-n переход обладает односторонней проводимостью.

Важной особенностью полупроводников является способность увеличивать электропроводность под действием света. Это явление получило название внутреннего фотоэффекта, или фотопроводимости. Полупроводник, меняющий свою проводимость при освещении его светом, называется фотосопротивлением. Уменьшение сопротивления полупроводника, обусловленное поглощением света, объясняется увеличением числа свободных носителей заряда.

Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием света происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням.

В фоторезисторах используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электропроводности вещества под воздействием электромагнитного вещества под воздействием электромагнитного излучения.

Если энергия кванта hν превышает ширину запрещенной зоны Е, поглотивший квант электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей зарядов - электрон и дырка, что приводит к увеличению электропроводности вещества.

Если в веществе есть примеси, то под действием света с энергией кванта hν  Е, где Е - энергия активации примеси, электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зоны проводимости. В первом случае возникает дырочная проводимость, во втором - электронная.

Носители тока, возникшие в результате освещения, называются неравновесными, или избыточными.

На внутреннем фотоэффекте основана работа фотосопротивлений, непосредственно преобразующих световую энергию в энергию электрическую.

В случае малых световых потоков Ф, когда кванты света идут на образование избыточных носителей, количество образующихся носителей, а, следовательно, и величина фототока пропорциональны падающему световому потоку (i  Ф). При больших световых потоках наступает насыщение, и линейная зависимость фототока от светового потока нарушается (i  Ф^1/2).

Световой характеристикой фотосопротивления называется зависимость фототока от светового потока при данном напряжении. Эта зависимость, показана на рис.19.4.

Рис. 19.4.

Вольтамперная характеристика фотосопротивления имеет линейный характер (рис. 19.5) и выражает зависимость фототока от приложенного напряжения при неизменном световом потоке.

Рис. 19.5.

Спектральной зависимостью фотопроводимости называется зависимость фототока от длины волны падающего излучения. Аналогичными характеристиками обладает и полупроводниковый фотоэлемент. Удельной интегральной чувствительностью ₀ фотосопротивления называется физическая величина, численно равная отношению величины фототока i, даваемого сопротивлением, к величине падающего на него светового потока Ф при напряжении U₀ , приложенном к сопротивлению:

. (19.1)

Учитывая, что

, (19.2)

для ₀ получим

, (19.3)

где r – расстояние от источника света до фотоэлемента; I – сила света источника; S – рабочая площадь светочувствительного слоя фотоэлемента.

Основной характеристикой полупроводникового фотоэлемента, наряду с вышеперечисленными, является также его интегральная чувствительность. Под интегральной чувствительностью полупроводникового фотоэлемента понимают отношение силы фототока к величине падающего светового потока, т.е.

, (19.4)

где i = i - i₀, i – фототок, вызванный данным элементом, i₀ – темновой ток, т.е. ток, показываемый амперметром при выключенном источнике света.

Учитывая формулу (19.2), для  имеем:

, (19.5)

где r – расстояние от источника света до фотоэлемента; S – площадь светочувствительного слоя фотоэлемента; I – сила света источника.